PEMFC發電系統中氫氣的存儲方法分析

文/王海龍 王維俊

隨著人類生活水平的不斷提高，對電能的需求不斷增加。增加火電的供應量，一方面會加劇煤這種不可再生資源的枯竭，另一方面又會增加碳排放和污染環境。這與目前正在倡導的低碳生活和環境保護與可持續發展戰略大相徑庭。因此，開發并利用新的綠色能源就越來越受到世人的關注。

氫能清潔、高效、安全，被視為21世紀最具發展潛力的能源。氫能的開發利用對世界能源結構的變革舉足輕重。氫能利用的一個重要方面就是燃料電池，它將氫和大氣中的氧反應轉換為電能，其最大特點是反應產物為純凈水，而且噪聲也很小，對環境沒有污染。因此燃料電池供電系統的研究對減少環境污染和減小溫室效應具有重要的意義。

目前，在中小功率場合應用較多的是質子交換膜燃料電池（PEMFC）。PEMFC發電系統要連續并能長時間工作就需要有足夠的氫氣儲量和穩定的供應環節。對于中大功率的固定PEMFC發電系統可以配套固定的氫氣產生、供應裝置。但對于小功率可移動的或便攜式的PEMFC發電系統就需要配套相應的氫氣存儲和供應裝置，其存儲裝置的容量和穩定性就直接關系到整個發電系統的電能供應量和輸出功率的穩定性。

1.氫氣儲存方法

目前氫氣儲存技術主要有6種，物理方法包括：壓縮儲氫技術、深冷儲氫技術、碳質吸附儲氫技術、玻璃微球儲氫技術；化學方法包括：金屬氫化物儲氫技術、有機化合物儲氫技術。本文將逐一介紹上述常用氫儲存技術的特點，并分析各種儲氫技術的優缺點和發展趨勢。

1.1 壓縮儲氫技術

壓縮儲氫是最常用的氫氣儲存方式。這種方式是將氫氣進行高壓壓縮后以氣體形式儲存在氣缸里。為使得氣缸耐高壓而一般選用鋼材，儲氫罐的自重大，氫氣的重量百分比較小，同時還具有一定的危險性。如果在小功率PEMFC發電系統中采用此種儲能方式會增加自重量，不利于便攜，故多用于中大功率場合。由于氫的密度很小，壓縮儲氫的效率隨著壓力的增大而減小，所以這種技術需要消耗的能量更多。但是總體而言在目前的技術水平條件下其經濟性較好，目前Ballard和Daimler-Benz兩大公司已經將壓縮氫氣罐用于他們的燃料電池車上。為進一步拓寬這項儲氫技術使用范圍，就必須發展質量更輕、不和氫發生反應并且不會導致氫擴散的新材料作為儲氫氣缸。

1.2 深冷儲氫技術

深冷儲氫技術是將氫氣液化后儲存在真空瓶里。氫氣先通過高壓壓縮機進行壓縮，再經過換熱器進行冷卻，低溫高壓的氫氣最后經過節流閥進行膨脹和進一步地冷卻，生成液態氫，儲存于液化罐中。這個過程消耗的能量較大，有大約30%的能量消耗在液化過程中。

圖1 儲氫供應裝置在PEMFC發電系統中關系框圖

該方式的優點是氫的體積能量很高，體積較小，但氫氣的液化成本很高，存儲器難以絕熱，使得液氫的氣化率高，小的儲存罐中甚至可以達到每天2%～3%，因而應用范圍受到了很大的限制。這種方法在航天領域應用較廣。但對PEMFC發電系統的熱管理子系統要求較高，因此應用較少。

1.3 碳質吸附儲氫技術

碳質吸附儲氫技術是根據吸附理論將氫氣吸附在碳質上。常用的碳質主要包括活性碳、碳納米管和碳納米纖維等具有高比表面積的材料。碳質吸附儲氫的優點是儲存效率高、儲存容器自重輕、解吸快、安全可靠、可重復使用和壓力適中等，但儲氫介質成本很高。盡管如此，碳質吸附儲氫技術有望成為未來燃料電池系統中儲氫的有效方法。

1.4 玻璃微球儲氫技術

玻璃微球儲氫技術是利用空心玻璃微球在較高溫度(300℃～400℃)下具有多孔性的特點，在高壓條件下將加熱至200℃～300℃的氫氣擴散進入空心玻璃球內，然后等壓冷卻使氫有效地儲存于空心微球中。這種儲氫技術具有很好的重復利用性。雖然玻璃微球成本較低，但是制備高強度的空心微球并非易事。在使用時需要選擇最佳的加熱方式，才可將氫氣最大限量地釋放出來。燃料電池發電系統中的熱管理本來就是一個難題，加熱300℃～400℃的高溫會嚴重影響燃料電池堆的反應性能。故目前應用較少。

1.5 金屬氫化物儲氫技術

這項儲氫技術是使氫原子進入金屬價鍵結構，形成金屬氫化物。金屬氫化物在低壓下具有較高的儲氫能力，但由于金屬密度很大，導致氫的質量百分比很小，只有2%～7%。用作金屬氫化物的金屬或金屬化合物的熱性能都要比較穩定，能夠進行頻繁地充放循環，并且不易被二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣腐蝕。金屬氫化物儲氫的優勢是氫氣的容積率較高、易于反復充放、使用也比較安全，但質量效率較低、成本非常高、具有氫不可逆損傷、釋放氫氣時需要加熱等弱點。不適于大規模儲存和運輸。除非開發出更輕、更便宜的金屬材料，這種儲氫方式將很難成為燃料電池車的主要儲存方式。

1.6 有機化合物儲氫技術

這種新型儲氫技術是利用可循環液體化學氫載體儲氫。其優點是儲氫密度高、安全和儲運方便，缺點是儲氫及釋氫均涉及化學反應，需要具備一定條件并消耗一定能量，另外產生的氫因含有雜質氣體常常還需要凈化。因此不像壓縮儲氫技術那樣簡便易行。因此，該技術的商業化大規模使用還有很遠的距離。

2.PEMFC發電系統儲氫方式選擇條件

中小功率或可便攜的PEMFC發電系統一般包括電池堆、水管理裝置、熱管理裝置、輸出電力調節裝置、燃料供應（儲存）裝置和綜合控制系統幾部分。其中最核心的就是燃料電池堆，其反應特性決定了整個系統的工作性能，因此各個子系統的設計和選擇都必須滿足電池堆的反應條件。圖1給出了儲氫供應系統在PEMFC系統中與其它子系統的關系。PEM電池堆的最佳工作溫度一般在60℃～80℃。燃料（氫氣和氧氣）的供應速度、濕度、壓力以及純度會直接影響電堆的反應速度，氫氣的儲存量直接關系到整個系統的工作時間和輸出功率。因此在選擇PEMFC發電系統的氫氣儲存方式時應當考慮一下幾個方面：（1）氫氣的儲存量應該盡可能大，以保證PEMFC發電系統長時間（或滿負荷）工作；（2）氫氣的純度應該盡量高，以免造成電池堆化學反應中毒，降低電堆的工作性能；（3）氫氣的壓力、速度、濕度要易于檢測和控制；（4）具有較高的安全性；（5）儲存器的體積和重量要盡可能小，便于移動和提高發電系統的功率密度；（6）釋放氫氣的條件如加熱等不能影響電池堆的反應特性；（7）經濟成本低，易于批量生產和推廣。

3.結語

通過以上分析，可以看到目前的幾種儲存氫氣技術都存在自身的優缺點。由于材料和技術的限制，大部分儲氫技術的實用化還有較長的路要走。壓縮儲氫的效率高、經濟性較好，但重量大；液化儲氫能量高，但成本昂貴；金屬氫化物儲氫體積密度最高，但質量比較大，成本也高；碳質吸附儲氫有一定的優越性，但還處于初期的發展階段。因此，目前還沒有一種技術在輕便性、氫氣質量、工作溫度、可逆循環性和安全性等方面同時滿足PEMFC發電系統的要求。比較而言，目前采用壓縮儲氫的方式相對可行，盡管重量較大，儲氫量也不是最大，但在車載PEMFC發電系統中可以通過裝氫氣重整裝置來彌補。

氫的儲存技術是制約PEMFC發展和廣泛應用的關鍵性技術之一，如何有效地儲氫并在使用時能夠方便地釋氫，將是該項技術研究的焦點。